耿村煤礦微震信號時頻特征及沖擊地壓前兆特征研究

張國華， 陳棟， 林松

(1.河南能源化工集團有限公司 安全健康環(huán)保監(jiān)察局， 河南 鄭州 450046；2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

隨著我國煤礦開采深度不斷增加，礦井沖擊地壓等動力災(zāi)害呈發(fā)生頻次高且風(fēng)險大等特點[1-2]。微震監(jiān)測具有靈敏度高和安全可靠等特點，在礦井沖擊地壓監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用[3-7]。袁瑞甫等[8]分析了沖擊地壓期間微震信號的時序特征，進而得到了微震信號的頻譜特征及分布變化規(guī)律。王士超[9]分析了礦井微震事件的波形信號，獲得了沖擊礦壓發(fā)生前后的功率譜演變特征。肖亞勛等[10]基于深埋隧洞微震波的衰減特征，修正了最大有效振幅，將相對有效振幅和最大有效頻率作為頻譜分析參數(shù)。李學(xué)龍等[11]研究了礦山典型微震事件中干擾信號的頻譜特征，并對含噪微震信號進行了去噪研究。韋四江等[12]利用快速傅里葉變換方法，分析了煤礦發(fā)生沖擊地壓時微震信號的時域波形及頻譜特征。劉海順等[13]分析了微震信號的時域和頻域轉(zhuǎn)換，揭示了不同能量水平下微震信號和頻譜特征的差異。彭明輝[14]對煤礦工作面微震信號類別進行了劃分，分析了微震事件在時間和空間上的分布規(guī)律。

為研究微震事件的時頻特征及沖擊地壓前兆特征，本文以河南能源化工集團有限公司耿村煤礦13200工作面為工程背景，采用微震監(jiān)測系統(tǒng)對該工作面采動誘發(fā)的微震事件進行了實時監(jiān)測，分析了微震信號的主頻、頻帶能量分布和瞬時能量等時頻特征，在此基礎(chǔ)上得出了工作面沖擊地壓前兆特征，可為設(shè)定煤礦沖擊地壓預(yù)警指標提供依據(jù)。

1 工程背景

1.1 礦井基本條件

耿村煤礦東西走向長4.5 km，南北傾斜寬2.6 km，面積11.593 3 km2。該煤礦為斜立井單水平上下山混合開拓，水平標高為+300 m。礦井現(xiàn)有12采區(qū)和13采區(qū)2個采區(qū)，12采區(qū)位于耿村井田西部、13采區(qū)位于耿村井田東部。耿村煤礦煤層具有中等沖擊傾向性，屬于沖擊地壓礦井。井田內(nèi)可采煤層自上而下有1-2煤、2-1煤、2-2煤和2-3煤，1-2煤、2-1煤和2-2煤大面積可采，2-3煤普遍可采，是礦井主要開采對象。煤層平均厚度為13.8 m，含夾矸3～5層，夾矸為灰白色砂巖和灰黑色泥巖。上覆巖層存在平均厚度為168 m的厚礫巖層，穩(wěn)定性和整體性好，巖性堅硬，抗變形能力強，易大量積聚彈性能，工作面回采后頂板不易沉降，容易大面積懸頂，導(dǎo)致采空區(qū)應(yīng)力集中，一旦發(fā)生脆性斷裂，積聚的彈性能和原有重力勢能將瞬間釋放，導(dǎo)致沖擊事件，在采掘工作面形成強烈的沖擊震動。井田范圍內(nèi)部和井田邊界存在落差較大的斷層，采區(qū)內(nèi)部還存在大大小小的沒有揭露的次生斷層等地質(zhì)構(gòu)造，對安全生產(chǎn)造成一定的影響。

1.2 工作面基本概況

13200工作面位于13采區(qū)延深下山西翼，北側(cè)為已回采的13180工作面，東部為正在回采的13230工作面13采區(qū)延深3條下山，西部為12采區(qū)、13采區(qū)保護煤柱，南部為未開采的2-3煤。工作面設(shè)計可采長度749 m，斜長249 m，最大采深623 m。

1.3 工作面微震監(jiān)測

在13200工作面安裝ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)，微震傳感器布置如圖1所示。微震監(jiān)測系統(tǒng)集成數(shù)字通信系統(tǒng)，可實現(xiàn)礦山震動定位及震動能量計算。根據(jù)監(jiān)測范圍的不同，系統(tǒng)可選用不同頻率范圍的微震傳感器。數(shù)字通信系統(tǒng)采用遠距離通信電纜實現(xiàn)三向震動速率變化信號的傳輸。系統(tǒng)通過24位AD轉(zhuǎn)換器進行震動信號的轉(zhuǎn)換和記錄，完成連續(xù)、實時的震動監(jiān)測。系統(tǒng)采樣頻率為500 Hz，可監(jiān)測震動能量大于100 J、震動頻率為0～150 Hz及動態(tài)范圍低于100 dB的震動事件。震源水平方向定位精度為20 m，垂直方向定位精度為50 m。

圖1 13200工作面微震傳感器布置Fig.1 Arrangement of microseismic sensors in 13200 working face

2 工作面微震信號時頻特征

工作面發(fā)生1次沖擊地壓及沖擊地壓發(fā)生前微震事件基本信息見表1(微震事件1即沖擊地壓事件)。

表1 工作面微震事件基本信息Table 1 Basic information of microseismic events in working face

2.1 主頻

采用快速傅里葉變換[15]對工作面沖擊地壓及沖擊地壓發(fā)生前微震事件波形進行頻譜分析，結(jié)果如圖2所示。

(a) 微震事件1

(b) 微震事件2

(c) 微震事件3

(d) 微震事件4

(e) 微震事件5

(f) 微震事件6

(g) 微震事件7

(h) 微震事件8

(i) 微震事件9

(j) 微震事件10圖2 工作面微震事件波形頻譜Fig.2 Spectrum of microseismic events in working face

從圖2可看出，沖擊地壓事件及沖擊地壓發(fā)生前微震事件波形的主頻分別為1.24，87.89，138.85，186.37，281.91，140.82，142.67，137.68，188.72，184.00 Hz；沖擊地壓發(fā)生時的主頻在10 Hz以內(nèi)，沖擊地壓發(fā)生前微震事件2的主頻在100 Hz以內(nèi)。

2.2 頻帶能量分布

采用小波包變換[16](選用db8小波基函數(shù)，將微震信號分解為5層小波包，在第5層中有32個小波包，將全頻域分割為32個子頻域帶，計算第5層小波包分解中每個節(jié)點的能量占微震信號總能量的百分比)對沖擊地壓事件及沖擊地壓發(fā)生前微震事件波形進行頻帶能量分析，結(jié)果如圖3所示?？煽闯鰶_擊地壓事件及沖擊地壓發(fā)生前微震事件波形的最高能量分布頻帶分別為1，8，11，11，26，14，14，13，15，11；沖擊地壓發(fā)生時最高能量分布頻帶在5以內(nèi)，沖擊地壓發(fā)生前微震事件2—4波形的最高能量分布頻帶為10左右，且微震事件2波形的最高能量分布頻帶小于10。

(a) 微震事件1

(b) 微震事件2

(c) 微震事件3

(d) 微震事件4

(e) 微震事件5

(f) 微震事件6

(g) 微震事件7

(h) 微震事件8

(i) 微震事件9

(j) 微震事件10圖3 工作面微震事件波形頻帶能量分布Fig.3 Frequency band energy distribution of microseismic events in working face

2.3 瞬時能量

利用希爾伯特黃變換[17]對沖擊地壓事件及沖擊地壓發(fā)生前微震事件波形進行瞬時能量分析，結(jié)果如圖4所示。

(a) 微震事件1

(b) 微震事件2

(c) 微震事件3

(d) 微震事件4

(e) 微震事件5

(f) 微震事件6

(g) 微震事件7

(h) 微震事件8

(i) 微震事件9

(j) 微震事件10圖4 工作面微震事件波形瞬時能量Fig.4 Instantaneous energy of microseismic events in working face

從圖4可看出，沖擊地壓事件及沖擊地壓發(fā)生前微震事件波形的最高瞬時能量分別為2.93，1.31，1.24，1.44，1.22，1.16，1.37，1.70，1.23，1.22；沖擊地壓發(fā)生前微震事件2—5波形的瞬時能量不高，表明沖擊地壓發(fā)生前存在能量的靜默期。

3 基于微震信號時頻特征的沖擊地壓前兆特征

通過分析工作面微震事件波形主頻，發(fā)現(xiàn)沖擊地壓發(fā)生前微震事件5—2波形的主頻依次為281.91，186.37，138.85，87.89 Hz，主頻逐漸降低，其中沖擊地壓發(fā)生前微震事件2波形的主頻降到了100 Hz以內(nèi)；沖擊地壓事件波形的主頻為 1.24 Hz，降到了10 Hz以內(nèi)。通過分析工作面微震事件波形頻帶能量分布，發(fā)現(xiàn)沖擊地壓發(fā)生前微震事件5—2波形的最高能量分布頻帶依次為26，11，11，8，最高能量分布頻帶逐漸降低，其中沖擊地壓發(fā)生前微震事件2波形的最高能量分布頻帶降到了10以內(nèi)；沖擊地壓事件波形的最高能量分布頻帶為1，降到了5以內(nèi)。通過分析工作面微震信號瞬時能量，發(fā)現(xiàn)沖擊地壓發(fā)生前只有微震事件8波形的瞬時能量超過了1.5，微震事件8發(fā)生后，沖擊地壓發(fā)生前微震事件7—2波形的瞬時能量均小于1.5，表明微震事件8產(chǎn)生一定的能量釋放后，微震事件7—2均沒有釋放大能量，而是在積聚能量，從而導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生。

4 結(jié)論

(1) 沖擊地壓發(fā)生時波形主頻在10 Hz以內(nèi)，而在沖擊地壓發(fā)生前的微震事件波形主頻在100 Hz以內(nèi)；沖擊地壓發(fā)生時波形最高能量分布頻帶在5以內(nèi)，在沖擊地壓發(fā)生前的3次微震事件波形最高能量分布頻帶在10左右；沖擊地壓發(fā)生前的6次微震事件波形瞬時能量不高，表明沖擊地壓發(fā)生前存在能量的靜默期。

(2) 通過分析工作面沖擊地壓事件及沖擊地壓發(fā)生前微震事件波形的時頻特征，得到了沖擊地壓前兆特征：微震事件波形主頻在100 Hz以內(nèi)，最高能量分布頻帶在10以內(nèi)，且瞬時能量小于1.5。